混合动力汽车电能储存装置

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1、项目二 混合动力汽车的电能储存装置,活动一 电能储存装置的种类及主要性能指标 一、动力电池的分类 电动汽车使用的动力电池可以分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。 1、化学电池 将化学能直接转变为电能的装置。 主要部分是电解质溶液、浸在溶液中的正、负电极和连接电极的导线。 化学电池按工作性质分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池。,1）原电池 利用两个电极之间的金属性不同，产生电势差，从而产生电流。 电化反应不能逆转，只能化学能转换为电能，不能重新存储电力。,2）蓄电池 电池放电后可通过充电方式使活性物质复原而可以继续使用的电池。 铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池,3）燃料电池

2、将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。 燃料和空气分别送进燃料电池，电就被生产出来。 它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。,燃料电池原理 单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。 不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。 电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电,4)贮备电池是一类特殊形式的原电池，其电极活性物质与电解质分开存放，无自放

3、电，可长时间贮存（510年）而不需维护。当需要电池供电时,可用一定的机构使电解液或水（溶剂）使其激活，一次完成放电,2、物理电池 物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池。如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。,3、生物电池 生物电池是指将生物质能直接转化为电能的装置 生物质蕴涵的能量绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的。 从原理上来讲，生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。,1、微生物电池 微生物电池由阳极室和阴极室组成。有一个质子交换膜将两极室

4、分开。 基本反应类型分为四步： 1) 在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子。 2)介体捕获电子并将其运送至阳极。 3)电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室。 4)氧气在阳极接收电子，发生氧化还原反应。 阳极反应：C6H12O6+6H2O6CO2+24H+24e 阴极反应：6O2+24H+24e-12H2O,2、酶电池 酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。反应原理如下： 葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸，电子由介体运送至阳极，在经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在做过的氧化酶的作用下还原成水。 阳极反应：葡萄糖葡萄糖酸+2H+

5、2e- 阴极反应：H2O2+2H+2e-2H2O 普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型。,二、动力电池的性能指标 1、电动势 电池的电动势，为电池断路时正负两极间的电位差。 2、额定电压 额定电压(或公称电压)，系指该电化学体系的电池工作时公认的标准电压。 3、开路电压 电池的开路电压是无负荷情况下的电池电压。开路电压不等于电池的电动势。必须指出，电池的电动势是从热力学函数计算而得到的，而电池的开路电压则是实际测量出来的。 4、工作电压 指电池在某负载下实际的放电电压，通常是指一个电压范围。例如，铅酸蓄电池的工作电压在2V1.

6、8V；镍氢电池的工作电压在1.5V1.1V；锂离子电池的工作电压在3.6V2.75V。,5、终止电压 指放电终止时的电压值，视负载和使用要求不同而异。以铅酸蓄电池为例：电动势为2.1V，额定电压为2V，开路电压接近2.15V，工作电压为2V1.8V，放电终止电压为1.8V1.5V 6、充电电压 系指外电路直流电压对电池充电的电压。 一般的充电电压要大于电池的开路电压，通常在一定的范围内。 7、内阻 蓄电池的内阻包括：正负极板的电阻，电解液的电阻，隔板的电阻和连接体的电阻等。,8、容量 电池的容量单位为库仑(C)或安时(Ah)。 （1）理论容量 根据参加电化学反应的活性物质电化学当量数计算得到的

7、电量。 （2）额定容量 系指在设计和生产电池时，规定或保证在指定放电条件下电池应该放出的最低限度的电量。 （3）实际容量 系指在一定的放电条件下，即在一定的放电电流和温度下，电池在终止电压前所能放出的电量。,9、比能量和比功率电池的输出能量是指在一定的放电条件下，电池所能作出的电功 输出能量等于电池的放电容量和电池平均工作电压的乘积，其单位常用瓦时(Wh)表示。,9、比能量和比功率电池的比能量有两种: 一种叫重量比能量，用瓦时/千克(Wh/kg)表示； 另一种叫体积比能量，用瓦时/升(Wh/L)表示。 比能量的物理意义是电池为单位重量或单位体积时所具有的有效电能量。电池性能优劣的重要指标。 单

8、体电池和电池组的比能量是不一样的 由于电池组合时总要有连接条、外部容器和内包装层等，故电池组的比能量总是小于单体电池的比能量。,10、贮存性能和自放电电池经过干贮存(不带电解液)或湿贮存(带电解液)一定时间后，其容量会自行降低，这个现象称自放电。所谓“贮存性能”是指电池开路时，在一定的条件下(如温度、湿度)贮存一定时间后自放电的大小。,10、贮存性能和自放电电池在贮存期间，虽然没有放出电能量，但是在电池内部总是存在着自放电现象。干贮存，也会由于密封不严，进入水份、空气及二氧化碳等物质，使处于热力学不稳定状态的部分正极和负极活性物质构成微电池腐蚀机理，自行发生氧化还原反应而白白消耗掉。湿贮存，长

9、期处在电解液中的活性物质也是不稳定的。负极活性物质大多是活泼金属，都会发生阳极自溶。,11、寿命电池的寿命有“干贮存寿命”和“湿贮存寿命”两个概念。电池的真正寿命是指电池实际使用的时间长短。 对一次电池而言，电池的寿命是表征给出额定容量的工作时间 对二次电池而言，电池的寿命分充放电循环寿命和湿搁置使用寿命两种。,二次电池的充放电循环寿命：在一定的充放电制度下，电池容量降至某一规定值之前，电池能耐受的充放电次数 充放电循环寿命越长，电池的性能越好。 在目前常用的二次电池中，镍镉电池的充放电循环寿命500800次，铅酸电池200500次，锂离子电池6001000次，锌银电池很短，约100次左右。,

10、湿搁置使用寿命：电池加了电解液后开始进行充放电直至充放电循环寿命终止的时间，包括充放电循环过程中电池处于湿搁置的时间。 湿搁置使用寿命越长，电池性能越好。,三、混合动力汽车对动力电池的要求 作为电动汽车用的动力电池,必须满足下列要求: 1、体积小、重量轻、贮存能量密度高,使电动汽车的一次充电续驶里程长; 2、能量输出密度高,使电动汽车的加速性能和爬坡性能好; 3、能够快速启动和运行,可靠性高; 4、循环次数高,使用寿命长; 5、环境适应性强,能在一定湿度下正常工作,抗振动冲击性能好; 6、环保性能好,无二次污染,并有可再生利用性; 7、维修方便,保养费用低; 8、安全性好,能够有效防止因泄露或

11、短路引起的起火或爆炸; 9、价格低,经济性好; 10、燃料储存、处理和输送方便,能够利用现有的燃油加油系统。,活动二 铅酸蓄电池 蓄电池构造：极板、隔板、电解液、外壳、联条、极柱等组成。l-密度计；2-排烟孔；3-液气隔板；4-连接条；5-活性物质；6-栅架；7-隔板；8-极桩；9-模压代号；l0-壳体；11-下滑面,Page 23,极板的结构 1棚架；2活性物质,1.极板,由栅架和活性物质组成栅架作用：容纳活性物质 蓄电池充放电过程就依靠栅架上的活性物质与电解液中的硫酸发生反应来实现。,Page 24,极板组,极板分为正极板和负极板两种正极板上的活性物质为二氧化铅(PbO2)，呈深棕色；负极

12、板上的活性物质为海绵状纯铅 (Pb)，呈深灰色。将正极板和负极板侵入电解液中，就得到2.1v左右的电动势,为了增大容量，将多片正、负极板分别并联，用汇流条焊接起来便分别组成正、负极板组。汇流条(横板)上联有极柱，各片间留有空隙安装时各片正、负极板相互嵌合，中间插入隔板后装入蓄电池单格内，便形成单格电池。,极板组的结构 1极板组总成；2负极板；3隔板； 4正极板；5铅联条,Page 26,袋式隔板 1袋式微孔塑料隔板；2正极板,2、隔板,为了减小蓄电池的内阻和尺寸，蓄电池的正负极板应尽可能靠近。为了防止相邻正、负极板彼此接触而短路，正、负极板之间要用隔板隔开。隔板是多孔且化学性能稳定，以便电解液

13、渗出隔板一面平滑，一面凹槽，凹槽面应面向正极板,3.电解液由纯硫酸与蒸馏水按一定比例配制而成。电解液密度一般1.24g/cm31.33g/cm3之间电解液密度过低，冬季易结冰；电解液密度过大，电解液粘度增加，蓄电池的内阻增加，而加速隔板、极板的腐蚀，使其使用寿命缩短电解液相对密度值，随温度的变化而变化，一般温度每升高1，相对密度变化值为0.0007 g/cm3。在蓄电池充放电过程中，电解液不但起导电作用，而且参与化学反应。,三、铅酸电池工作原理：化学能和电能之间的相互转化，分为放电和充电两个过程电化学反应方程式为：PbO2 + 2H2SO4 +Pb PbSO4+ 2H2O+ PbSO4（正极板

14、）（电解液）（负极板） （正极板）（电解液）（负极板）,放电充电,四、铅酸蓄电池的优点 1、价格低廉。 原材料容易得到而且价格便宜；技术成熟；生产方便；产品一致性好。 2、比功率高。 铅酸蓄电池电势高，大电流放电性能优良，可以满足车辆启动和加速的功率要求。 3、浮充寿命长。 其在25C下浮充状态使用可达20年。 4、使用安全。 铅酸蓄电池易于识别电池荷电状态，可在较宽的温度内使用，而且电性能稳定可靠。 5、再生率高。,五、 铅酸蓄电池的缺点 1、比能量低。 2、循环寿命短。循环充电次数不足300次。 3、自放电，过充电时有大量气体产生。 4、供电不稳定。供电强弱随温度而变化,冬天只能释放一半的

15、电量 5、使用寿命短，因具有记忆效应,在电池存有残余电量时进行充电。 6、污染严重。,六、铅酸蓄电池的应用 主要应用领域有: 1、汽车和摩托车行业。主要是为发动机的起动点火和车载电子设备的使用提供电能等; 2、工业电力系统。用于输变电站、为动力机组提供合闸电流，为公共设施提供备用电源以及通讯用电源; 3、电动汽车和电动自行车行业。取代汽油和柴油，作为电动汽车或电动自行车的行使动力电源; 4、新能源用铅酸蓄电池。绿色新能源如风能和太阳能发电时，先给铅酸蓄电池充电，通过逆变器将铅酸蓄电池的直流电变换为交流电，然后对外供电。 此外，铅酸蓄电池还广泛应用于矿井、飞机、坦克、潜艇、工厂的搬叉车等领域，作

16、为这些行业设备的照明用电、应急电能、甚至作为动力电源。,七、阀控密封式铅酸蓄电池 1、阀控蓄电池发展MF是免维护蓄电池的简称;SLA是密封铅酸蓄电池的简称;VRLA为阀控式铅酸蓄电池,2、工作原理： PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 4H2O + PbSO4 (放电) 正极 电解液 负极 正极 电解液 负极放电时，正极板中的活性物质二氧化铅，负极板中的活性物质海绵状铅与电解液中的硫酸反应，生成硫酸铅和水。放电过程中，硫酸逐渐消耗，电解液比重下降。充电时，硫酸铅又分别转化成二氧化铅和海绵状铅，硫酸的浓度也逐渐提高。在充电的最终阶段，电解液中的水开始电解，正极板上产生氧气：2H2O=O2+4H+4e-，（3）氧气通过隔板中的通道传输到负极板上，并与活性物质海绵状铅及硫酸反应，使一部分活性物质变成硫酸铅，同时抑制了氢气的产生：2Pb+O2=2PbO，（4）2PbO+2H2SO4=2PbSO4+2H2O，（5）在负极，由于与氧气反应而变成放电状态的硫酸铅经过继续充电，又回到充电状态：2PbSO4+4H+4e-=Pb+2H2SO4，（6）,